DE69006367T2 - Methode zur reinigung von abgas in einer pfbc-anlage einschliesslich einer von dem abgas angetriebenen gasturbine. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Abgas (Rauchgas) in einer PFBC-Anlage mit einer dadurch angetriebenen Gasturbine; der Ausdruck PFBC-Anlage bezieht sich dabei auf einen Kessel mit einem oder mehreren unter Druck stehenden Wirbelschicht(en) und ggf. einem Zyklonenscheider und/oder einem Filter zum Reinigen des Abgases vom Kessel, bevor dieses Gas der Gasturbine zugespeist wird.
• Für die Reduzierung der Emission von NOx bei der Verbrennung ist es bekannt, einen als thermische Reduktion bezeichneten Prozeß einzusetzen, bei dem Ammoniak oder eine andere stickstoffhaltige Substanz oder aber eine Stickstoff erzeugende (freisetzende) Substanz zum Abgas im Kessel selbst zugespeist wird. Wenn im folgenden auf Ammoniak Bezug genommen wird, soll dieser Ausdruck auch solche Substanzen umfassen, die bei Zuspeisung zum heißen Abgas Ammoniak oder Stickstoff enthalten oder erzeugen (freisetzen). Die Zuspeisung von Ammoniak kann in differenzierter Weise dadurch erfolgen, daß Ammoniak einer Anzahl verschiedener Stellen im Kessel zugespeist und die Ammoniakmenge an jeder Stelle auf (in Anpassung an) die NOx-Menge eingestellt wird, die in verschiedenen Zonen im Kessel auftritt. Es ist auch möglich, Ammoniak in das Abgas stromab des Kessels in einem getrennten Reaktionsgefaß einzuspritzen, in welchem Abgas und Ammoniak zur Umsetzung miteinander innig vermischt werden. Zur Erzielung einer hohen NOx-Reduktion wird Ammoniak in einer größeren Menge als der dem stöchiometrischen Verhältnis entsprechenden Menge zugespeist, so daß nicht mit dem Abgas umgesetztes Ammoniak entweichen kann, was als "Entweichen" (slip) bezeichnet wird. Dabei müssen spezielle Maßnahmen ergriffen werden, um das überschüssige Ammoniak unschädlich zu machen, bevor das Abgas zur Atmosphäre entlassen wird, was selbstverständlich ungünstig ist und erhöhte Kapitalkosten bedingt. Ein anderer, offensichtlicherer Nachteil in Verbindung mit einer PFBC-Anlage besteht jedoch darin, daß durch (bei) Zuspeisung von Ammoniak die thermische Reduktion von NOx im Kessel bei zu niedrigen Teillasten infolge der niedrigen Temperatur des Gases vom Kessel unannehmbar niedrig wird oder überhaupt nicht stattfindet.
• Eine andere bekannte Maßnahme zur Reduzierung von NOx im Rauch- oder Abgas ist die katalytische Redukion; dabei wird stromab des Kessels Ammoniak zugespeist, und das Gemisch aus Abgas und Ammoniak wird mit einem Katalysator, z.B. Vanadin, kontaktiert. Der Katalysator ist an der Reaktion zwischen Rauchgas und Ammoniak nicht beteiligt, muß aber dennoch von Zeit zu Zeit ersetzt oder ausgetauscht werden, wodurch sich die Betriebskosten der Anlage erhöhen.
• Die am 23.8.1990 veröffentlichte WO-A-90/09228 beschreibt einen Prozeß zum Beseitigen von Stickoxiden aus Abgasen von Turbinen durch selektive katalytische Reduktion mit Ammoniak, das vor (stromauf) der Turbine zugesetzt wird.
• Zur Erzielung einer Reduktion von NOx im Rauch- oder Abgas in einer für Kapital- und Betriebswirtschaftlichkeit vorteilhaften Weise (und) mit einer annehmbaren Größe in einer Anlage der oben angegebenen Art über einen weiten Bereich von Teillasten der PFBC-Anlage hinweg, ohne unannehmbares "Entweichen" herbeizuführen, kennzeichnet sich das gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verfahren durch die Merkmale nach Anspruch 1. Dabei kann eine kleinere Katalysatormenge als dann, wenn die Gesamtreduktion von NOx durch katalytische Reduktion bewirkt werden würde, eingesetzt werden, weil der Katalysator nur für die katalytische Reduktion nur mit dem kleineren Maß bemessen zu werden braucht, das zur Erzielung einer zufriedenstellenden NOx-Reduktion auch bei niedrigen Teillasten erforderlich ist, wobei der Katalysator gleichzeitig die zusätzliche oder ergänzende Reduktion gewährleistet, die für den Verbrauch von überschüssigem, aus dem Kessel austretendem Ammoniak nötig sein kann, weil das Ammoniak an dieser Stelle keine Gelegenheit hatte, mit dem vorhandenen NOx zu reagieren. Aufgrund der einzigartigen Kombination von thermischer und katalytischer Reduktion in einer Anlage der angegebenen Art ist es möglich, insgesamt eine NOx- Reduktion zu erreichen, ohne unzulässige Mengen an nicht umgesetztem Ammoniak zu entlassen, die niedriger sind als der derzeit vorausgesetzte Bedarf.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen, in welcher zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer PFBC-Anlage mit einer durch diese angetriebenen Turbine und
• Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem NOx-Gehalt im Rauch- oder Abgas und der Last der PFBC-Anlage.
• Die Anlage gemäß Fig. 1 umfaßt eine PFBC-Anlage mit einem Druckgefäß 10, in welchem Ein Kessel 11 angeordnet ist, der seinerseits eine oder mehrere Wirbelschicht(en) für die Verbrennung von teilchenförmigem, festem Brennstoff aufweist. Im Druckgefäß ist (sind) ferner ein (oder mehrere) Zyklonenscheider 12 zur Abtrennung von Staub von dem den Kessel verlassenden Rauch- oder Abgas, bevor das Abgas einer Gasturbine 12 zugespeist wird, angeordnet. Stromab der Turbine (dieser nachgeschaltet) ist ein Meßgerät 14 zur Anzeige des NOx-Gehalts in dem aus der Turbine austretenden Abgas angeordnet; anschließend folgt ein Katalysator 15 für die Intensivierung der Reaktion zwischen NOx und Ammoniak, um diese Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur als ohne Verwendung des Katalysators ablaufen zu lassen. Aus dem Katalysator tritt das Abgas über einen Vorwärmer 16 und ein Abgasfilter 17 zu einer Esse oder einem Rauchrohr 18 aus, um in die Atmosphäre entlassen zu werden.
• Zur Reduzierung des im Abgas enthaltenen, von der Verbrennung im Kessel 11 stammenden NOx wird Ammoniak (NH&sub3;) frei oder am freien Rand (in the free board) über der Wirbelschicht bei 19 und/oder in dem als Mischgefäß angeordneten Zyklonenscheider 12 bei 20 und auch erforderlichenfalls in Abhängigkeit von dem am Meßgerät 14 angezeigten NOx-Gehalt an einer Stelle 21 in den Strom des Abgases unmittelbar stromauf des Katalysators 15 eingespritzt. Im Kessel wird das eingespritzte Ammoniak in Abhängigkeit von der berechneten, in den einzelnen Zonen vorhandenen Ammoniakmenge auf verschiedene Zonen verteilt, wobei das Ammoniak vorzugsweise in einem größeren als dem stöchiometrischen Verhältnis zugespeist wird. Sodann kann eine zusätzliche oder ergänzende Einspritzung bei 19 und/oder 20 erfolgen, falls sich dies im Hinblick auf die Anzeige am Meßgerät 14 als erforderlich erweist. Die Reduktion von NOx läuft durch thermische Reduktion sowohl im Kessel als auch im Zyklonenscheider ab.
• Fig. 2 veranschaulicht als Beispiel (bezüglich einer speziellen, mit einem spezifischen Brennstoff beheizten Anlage) in einer strichpunktierten Linie I den im Abgas ermittelten NOx-Gehalt für den Fall, daß überhaupt keine NOx-Reduktion stattfindet. Es ist dabei ersichtlich, daß der NOx-Gehalt in diesem Fall erheblich über einem vorgegebenen Grenzwert für den NOx-Gehalt in dem zur Atmosphäre entlassenen Abgas liegt. Eine ausgezogene Linie II steht für den Fall, daß nur eine thermische NOx-Reduktion vorgenommen worden ist; ersichtlicherweise durchläuft der NOx-Gehalt dabei den Grenzwert an einem Punkt A, weil die Abgastemperatur an diesem Punkt so niedrig ist, daß die Wirkung der Ammoniakeinspritzung drastisch abnimmt.
• Durch Vorsehen einer katalytischen Reduktion stromab der Gasturbine im Katalysator 15 wird eine weitere Senkung des NOx-Gehalts auf die gestrichelte Kuve III erreicht. Diese Senkung kann allein durch Einspritzung von Ammoniak an den Stellen 19 und/oder 20 erreicht werden; falls jedoch die eingespritzte Ammoniakmenge bereits mit dem Abgas reagiert hat, können bei 21 weitere Ammoniakmengen in das Abgas eingespritzt werden, sofern dies im Hinblick auf die Anzeige des NOx-Gehalts am Meßgerät 14 für notwendig erachtet wird. Ersichtlicherweise wird eine zufriedenstellende NOx-Reduktion bei niedrigeren Teillasten erreicht, weil die Kurve (III) den Grenzwert erst am Punkt B überschreitet und der NOx-Gehalt über den gesamten Lastbereich hinweg erheblich niedriger ist als im Fall der Kurve II. Am Punkt C, jedoch nicht früher, erreicht der NOx-Gehalt die gleiche Größe wie beim Gehalt gemäß Kurve II; an diesem Punkt endet die Wirksamkeit des Katalysators, weil die Abgastemperatur zu niedrig ist.
• Da die thermische Reduktion von NOx in einer PFBC- Anlage über eine breitere Temperaturspanne hinweg wirksam ist als bei einer Verbrennungsanlage bei atmosphärischem Druck, braucht die Leistungsfähigkeit der katalytischen Reduktion nicht besonders hoch zu sein, um eine deutliche Erweiterung des Lastbereichs, in welchem der NOx-Gehalt unter dem vorgegebenen Grenzwert gehalten werden kann, zu erreichen.

Claims (1)

10 Verfahren zum Entfernen von NOx aus dem Rauch- oder Abgas in einer PFBC-Anlage (10, 11) mit einer durch diese angetriebenen Gasturbine (13), dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung des NOx-Gehalts im Abgas eine thermische Reduktion durch Einspritzung von Ammoniak in den Abgasstrom im Druckgefäß der PFBC-Anlage stromauf der Gasturbine (13) und in den Abgasstrom von der Gasturbine und anschließend nach dieser Einspritzung eine katalytische Reduktion in Gegenwart von Ammoniak im Abgasstrom stromab der Gasturbine herbeigeführt werden, der NOx-Gehalt im Abgasstrom stromab der Gasturbine, aber stromauf der Stelle (15) der katalytischen Reduktion gemessen wird und die Einspritzung von Ammoniak stromab der Gasturbine (13) in Abhängigkeit vom gemessenen NOx-Gehalt durchgeführt wird.